Anordnung zur Schliessung und Unterbrechung eines Wechselstromkreises. Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Schliessung und Unterbrechung eines Wechselstromkreises mit Schaltdrosseln. Die Anordnung ist sowohl für Einzelschaltungen, als auch für periodische Schaltungen, zum Beispiel zur Umformung von Gleichstrom in Wechselstrom oder umgekehrt oder von Wechselstrom gegebener Frequenz in Wech selstrom anderer Frequenz, verwendbar. Er findungsgemäss besteht der Magnetkern der Schaltdrosseln aus flach übereinande-rge- wickelten Lagen von Eisenband. Auf diese Weise ist es möglich, die Wirkung der Schaltdrosseln im Sinne einer Erleichterung der Stromunterbrechung zu verbessern.
Fer ner können der Materialaufwand und die Ver luste der Schaltdrosseln verringert werden, da die Kraftlinien innerhalb des Eisenkernes in der Bandrichtung verlaufen, welche mit der magnetischen Vorzugsrichtung iden tisch ist.
In Fig. 6 der Zeichnung ist ein Ausfüh- rungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes dargestellt.
Die Fig. 1 bis 5 zeigen verschiedene Schaltdrosselkerne.
Die Fig. 7 bis 14 zeigen Ausfühungsbei- spiele der Schaltdrosselwicklungen, und die Fig. 15 bis 17 zeigen Mittel zum Vormagne tisieren der Schaltdrosselkerne.
In Fig. 6 ist das Schaltschema einer Ein richtung zur Stromumformung dargestellt. Die Schaltkontakte 2 haben bis zu mehreren Millionen Schaltungen pro Tag auszuführen; es muss daher die Funkenbildung unterdrückt werden. Deshalb sind Schaltdrosseln vorge sehen. Die Magnetkerne dieser Schaltdros seln sind mit 5 bezeichnet. Auf ihnen befin den sich die Wicklungen 4. Diese liegen in Reihe mit den aus je zwei ruhenden Schalt stücken und einer beweglichen Schaltbrücke bestehenden Schalteinrichtungen 2. Die Magnetkerne können zum Beispiel aus Sili- ziumeisen oder Nickeleisen bestehen.
Ihre Magnetisierungskurve soll im ungesättigten Teil möglichst wenig gegen die Flussachse geneigt sein, einen möglichst scharfen Sätti gungsknick aufweisen und im Sättigungs gebiet möglichst wenig gegen die AW-Achse geneigt sein.
Die Windungszahl der Wicklungen 4 wird vorteilhaft so bemessen, dass die Mag netkerne 5 nur bei sehr kleinen durch die Wicklungen 4 fliessenden Strömen in der Nähe der Stromnulldurchgä nge ungesättigt sind, sieh aber zum Beispiel bereits bei des Mittelwertes des normal hindurchfliessen den Betriebsstromes sprunghaft sättigen.
Da durch wird der Verlauf der Stromkurve in der Nähe der Nulldurchgänge abgeflacht und es entsteht eine praktisch stromlose Pause, während welcher die Abschaltung des Wech selstromes vorgenommen werden kann, ohne dass Schaltfeuer auftritt, insbesondere da zur Trennstrecke ein Nebenstrompfad 3 parallel geschaltet ist, der eine Kombination von ka- pazitiven und Ohmschen Widerständen ent hält. Die beweglichen Schaltbrücken der Schalteinrichtungen 2 werden über Zwischen stössel von einer Exzenter- oder Nockenwelle 8 angetrieben, welche mit einem Synchron motor 7 gekuppelt ist.
Die Schaltdrosseln sind mit. der Sekun därwicklung 12 eines Drehstromtransforma- tors verbunden, dessen Primärwicklung 11 an das Drehstromnetz 10 angeschlossen ist. Aus der gleichen Sekundärwicklung 12 wird auch der Antriebsmotor 7 gespeist, so dass die Schaltbriieken durch die um je 120 o vonein ander versetzten Exzenter bezw. Nocken im Takte der Speisespannung abwechselnd ge öffnet und geschlossen werden.
Der Ständer des Synchronmotors 7 ist mittels des Hand rades 17 um die Antriebsachse verstellbar, so dass der Öffnungsaugenblick auf den ge wünschten Zeitpunkt innerhalb der durch die Schaltdrosseln hervorgerufenen stromschwa chen Pause eingestellt werden kann.
Die Magnetkerne 5 sind mit je einer zu sätzlichen Wicklung 6 versehen, mittels deren sie aus einer zusätzlichen Stromquelle, vorzugsweise mit Gleichstrom, vormagnetisiert werden können, wodurch der Augenblicks wert des Stromes, bei welchem die Sättigung eintritt, beeinflusst wird. Der Vormagneti- sierungsstrom wird einer Gleichstromma schine 13 entnommen, die ebenfalls mit der Welle 8 gekuppelt ist. Die drei Erregerwick lungen 6 sind hintereinander geschaltet, und in Reihe damit liegt noch die Drosselspule 16.
Dadurch wird der Vorerregungskreis von Oberwellen des Stromes nach Möglichkeit freigehalten. Ausserdem liegt in diesem Stromkreis noch ein Regulierwiderstand 14, mit dem die Vormagnetisierung verändert werden kann.
Das Gleichstromnetz ist mit 20 bezeich net; der eine Pol dieses Netzes ist mit den Unterbrechungseinrichtungen 2 verbunden, während der andere Pol über eine Glättungs- drossel 9 zum Nullpunkt der Sekundärwick lung 12 des Speisetransformators geführt ist. Der Stromumformer kann in beiden Richtun gen betrieben werden. Durch Verstellung des Regelwiderstandes 14 oder des Handrades 17 ist es möglich, sowohl die durch die Schalt drossel bedingten elektrischen Verhältnisse den mechanischen Vorgängen beim Schalten der Kontakte anzupassen als auch den Strom und die Spannung auf der Ausgangsseite in einem gewissen Bereich zu regeln.
Sind die Schaltdrosseln 4, 5 gross genug bemessen, so kann mit der vorgenannten kombinierten Re gelung ein stetiger Übergang von einer Ar beitsrichtung in die andere, dass heisst vom Gleichrichter- zum Wechselrichterbetrieb und umgekehrt, erzielt werden.
Der Magnetkern der Schaltdrosseln kann nach Fig. 1 die Form eines spiralig gewickel ten Ringes haben und fugenlos sein. Wird ein bestimmter Durchmesser nicht unter schritten, so werden Gefügespannungen, wel che die magnetischen Eigenschaften ver schlechtern könnten, vollkommen vermieden. Der kleinste zulässige Krümmungsdurchmes- ser ist verschieden je nach der Stärke des Bandes und der Elastizitätsgrenze der ver wendeten Eisensorte. Er kann in jedem Ein zelfalle durch Versuch leicht bestimmt werden.
Fig. 2 zeigt einen spiralig gewickelten Magnetkern von der Form eines rechteckigen Rahmens. Diese Form bietet den Vorteil, dass sich die Wicklung gut unterbringen lässt.
Es empfiehlt sich, den Magnetkern nicht so fest wie möglich, sondern verhältnismässig lose aufzuwickeln, damit Gefügespannungen -vermieden werden, die andernfalls insbeson dere während der Wärmenachbehandlung des fertigen Kernes entstehen können. Aus dem gleichen Grunde soll es vermieden werden, im Glühofen mehrere Ringe mit Zwischenla gen aus Eisenplatten übereinanderzustapeln. Statt dessen soll jeder Ring in einer beson deren Tasche geglüht werden.
Eine weitere Verbesserung der magnetischen Eigenschaf ten des fertigen Spulenkernes kann noch da durch erzielt werden, dass er während der Nachbehandlung der Einwirkung eines kräf tigen Magnetfeldes ausgesetzt wird, dessen Kraftlinien so verlaufen, wie später im Be trieb.
Fig. 3 zeigt einen dreigängig gewickelten Ringkern, der aus den einzelnen Bändern 51, 52 und 53 besteht. Das Band 51 ist der Deut- liehkeit halber durch .grössere Strichstärke hervorgehoben; es ist als Decklage ausgebil det und hat zu diesem Zweck eine Windung mehr als die beiden andern Bandstücke. Es kann gegebenenfalls auch etwas stärker sein, um dem ganzen Körper einen besseren Zu sammenhalt zu geben.
Nach Fig. 4 besteht der Magnetkern aus einzelnen Bandstücken 54-59. Jedes ein zelne dieser sechs Bandstücke besitzt die dop pelte Länge des Ringumfanges. Infolge der grossen Überlappungsstrecken ist der an den Stossstellen entstehende Widerstand vernach- lässigba.r klein.
Zur Vergleichmässigung des Aufbaues ist es zweckmässig, die Stossstellen bezw. die Enden der einzelnen Bandstücke in gleichmässigen Winkelabständen gegenein ander zu versetzen, wie es in Fig. 4 dar gestellt ist.
Fig. 5 zeigt einen Kern, der durch Zu sammensetzung aus mehreren Ringen kleine rer radialer Dicke entstanden ist, welche kon zentrisch radial übereinander angeordnet sind. Der innere Ring ist mit 151, der äussere mit 152 bezeichnet. Jeder Ring besteht aus einem spiralig gewickelten Band.
Die Ringe können aber auch nach der in den Fig. 3 und 4 gezeigten Art je aus mehreren Einzel stücken zusammengesetzt sein. Zwischen den beiden Teilringen 151, 152 ist ein Luftzwi schenraum vorgesehen, der beispielsweise durch Abstandsstücke gesichert sein kann und zur Verbesserung der Kühlwirkung dient.
Die Wicklung der Schaltdrosseln kann aus mehreren parallel .geschalteten Wick lungszweigen bestehen. Zur Vermeidung von Widerstandserhöhung durch Stromverdrän gung ist es zweckmässig, sehr viele Wick lungszweige aus verhältnismässig dünnen Lei tern parallel zu schalten. Dies hat den wei tern Vorteil, dass der Wickelraum bei kleinen Spannungen, bei denen die Isolation keine überwiegende Rolle spielt, gut ausgenutzt wird.
Auch bei Stromumformern für hohe und höchste Spannungen ist zu Gunsten einer guten Isolierung die Unterteilung der Wick lung in mindestens zwei parallele Strom kreise vorteilhaft.
Würde man nämlich, an einer Stelle des Ringkernes mit der Wicklung beginnend, den Kern in Richtung der Kern achse fortschreitend vollwickeln, so würden Anfang und Ende der Wicklung, zwischen denen die volle Spannung auftreten kann, welche im ungesättigten Zustande die Grö ssenanordnung der Betriebsspannung erreicht, dicht nebeneinander liegen. Dann würde ent weder die Isolation an dieser Stelle erheb liche Schwierigkeiten bereiten, oder man wäre gezwungen, zwischen Anfang und Ende eine Lücke in der Ringbewicklung zu lassen. Dadurch würde der Wickelraum verkleinert werden.
Ausserdem würde eine derartige nicht gleichmässige Bewicklung aber auch eine unerwünschte Vergrösserung der Luft induktivität der Schaltdrossel im gesättigten Zustand ergeben, welche ihrem Zweck wider spricht.
Die Wicklung kann gemäss der Fig, 7 in zwei parallele Zweige geteilt werden, von denen jeder eine Ringhälfte ausfüllt und, von einem gemeinsamen Anfangspunkt A aus gehend, nach verschiedenen Seiten fortschrei tend im gleichen Wicklungssinn gewickelt ist. So kommen die Enden an der gegenüber liegenden Seite des Ringes wieder zusammen zu dem gemeinsamen Punkt E. Der Ring kern ist voll bewickelt und die beiden Punkte A und E, zwischen denen die Gesamtspan nung auftreten kann, liegen weit auseinander.
Ähnliche vorteilhafte Wicklungsanord nungen können bei jeder Unterteilung in eine gerade Anzahl von Wicklungszweigen, zum Beispiel vier nach Fig. 8 oder sechs nach Fig. 9, erzielt werden, indem die Wicklungs zweige paarweise so angeordnet werden, dass die auf gleichem Potential befindlichen En den je zweier Spulen einander unmittelbar be nachbart sind.
Unter der Wirkung der zwischen dem Kern und der isolierten Wicklung vorhande nen Kapazität nimmt der Kern ein Mittel potential zwischen den elektrischen Poten tialen der ZVicklungsenden A und E an. Verteilt sich also die Spannung über die Schaltdrossel gleichmässig, so besteht zwi schen dem Eisenkern und der Wicklungs mitte praktisch keine Spannung. Man kann deswegen die Mitte einer Teilwicklung oder mehrerer Teilwicklungen mit dem Eisen kern leitend verbinden, wie dies in Fig. 7 bis 9 an den Punkten M angedeutet ist.
Durch diese Verbindungen wird erreicht, dass auch bei nicht gleichmässiger Spannungsver teilung, wie sie beim Auflaufen von Wander wellen beispielsweise eintreten kann, in der Mitte der Wicklung keine nennenswerte Spannung zwischen ihr und dem Kerneisen auftritt, so dass an diesen Stellen eine schwä- ehere Isolation zu Gunsten des mechanischen Auf- und Zusammenbaues zulässig ist.
Ausserdem wird dadurch erzwungen, dass die grösste normalfrequente Spannung, welche im Betrieb zwischen Wicklung und Kern jemals auftreten kann, nicht grösser als die halbe Sprdenspannung ist., Wird für den Kern der Schaltdrossel eine sehr hochwertige Eisen sorte mit scharfem Knick der Magnetisie- rungskennlinie verwendet, wie zum Beispiel fünfzigprozentiges Carbonylnickeleisen oder Siliziumeisen mit vorzugsweise drei bis vier v. H. Siliziumgehalt, so erfolgt der Anstieg der Spannung wegen des scharfen Knickes der Magnetisierungslinie sehr schnell.
Nun besitzt aber die Wicklung eine gewisse Eigenkapazität, ferner eine gewisse Kapazi tät gegen den Kern und gegen Erde. In erster Annäherung kann man daher als Ersatz schaltbild der wirklichen Spule eine Induk- tivität mit parallelgeschaltetem Kondensator annehmen. Der Parallelkondensator verzögert den Anstieg der Spannung an der Schalt drossel entsprechend der langsamer vor sich gehenden Kondensatoraufladung. Der Kon densator macht also im ersten Augenblick die Schaltdrossel unwirksam. Es schliesst sich ein durch Ausgleichströme hervorgerufener nahezu ungedämpfter Schwingungsvorgang an.
Die Frequenz dieses Ausgleichvorganges ist um so höher, und die Schwingung klingt um so schneller ab, je kleiner die Parallel kapazität des Ersatzschaltbildes ist. Vorteil haft werden daher die Spulen auf dem Eisen kern so aufgebaut, dass sie geringe Eigen kapazität und geringe Kapazität. gegen den Eisenkern besitzen.
In Fig. 10 ist auf dem ringförmigen Eisenkern 5 der Schaltdrossel die Wicklung in Form von Scheibenspulen 41, 42, 43 usw. aufgebracht. Dieser Wicklungsaufbau ist ausser aus den oben angegebenen Gründen auch noch deswegen besonders vorteilhaft, weil er eine gute Ausnutzung des vom Kern umschlossenen Ringraumes bei gleichzeitiger Kühlung der Wicklung durch Zwischen räume zwischen den einzelnen Spulen ermög licht. Noch besser wird die Raumausnutzung. wenn man den Scheibenspulen einen keil förmigen Querschnitt., zum Beispiel gemäss Fig. 11 gibt, wobei die dem Eisenkern zu nächst liegenden Lagen eine grössere Anzahl Windungen besitzen als die äussersten Lagen jeder Teilspule.
Um den Kupferfüllfaktor der Ringkern öffnung so gross wie möglich zu machen, kön nen auch Scheibenspulen mit verschiedener Lagemahl und daher verschiedener radialer Höhe abwechselnd nebeneinander angeordnet werden. Beispielsweise ist nach Fig. 12 jede zweite Spule 241, 242, 243 usw. mit ge ringerer radialer Wicklungshöhe ausgeführt als die dazwischen liegenden Spulen 141, 142, 143 usw. Es kann natürlich auch eine drei- und mehrfache Abstufung der aufeinander folgenden Scheiben gewählt werden.
Scheibenspulen sind insbesondere bei Stromumformern für Hochspannung vorteil haft, weil überall zwischen Punkten, zwi schen denen ein hohes Potentialgefälle be steht, Isolierabstände aufrechterhalten wer den, und weil der regelmässige Aufbau ein übersichtliches Feldbild schafft im Gegen satz zu solchen Wicklungen, bei denen die Windungen auf dem kleineren innern Um fang des Eisenkernes und auf dem grösseren äussern Umfang des Eisenkernes gleich dicht nebeneinander gewickelt sind, indem zur Ausfüllung der Lücken auf der Aussenseite des Eisenkernes Drähte nebeneinander in der gleichen Wicklungslage angeordnet sind,
welche auf der Innenseite des Kernes ver schiedene Wicklungslagen angehören. In folge des übersichtlichen Aufbaues der Scheibenspulenwicklung ist es dann möglich, an besonders gefährdeten Stellen, an denen Punkte verschiedenen Potentials einander sehr nahe kommen, besondere Schutzmassnah men zu treffen, beispielsweise durch Anord nung von Zwischenlagen aus festem Isolier stoff.
Man kann ferner die Kapazität der Schaltdrossel dadurch herabsetzen, dass man sie in mehrere Teilspulen mit je einem eige nen Eisenkern unterteilt und diese Teilspulen hintereinanderschaltet, wie es in Fig. 16 dar gestellt ist. Die Kapazitäten einer Spule sind dann hintereinander geschaltet, so dass die resultierende Kapazität der Wicklung allein und der Wicklung gegen die Eisenkerne für die ganze Schaltdrossel sehr klein wird. Es verbleibt nur die Kapazität der Spule gegen Erde beziehungsweise gegen einen Ölkessel oder ein entsprechendes metallisches Gehäuse.
Die letztere kann man aber durch geeignete Bemessung des Ölkesgels hezw. Gehäuses klein halten.
Schaltdrosseln mit grossen Kernquerschnit ten für Stromumformer für grössere Leistung können in vorteilhafter Weise dadurch herge stellt werden, dass der gern aus mehreren gleichachsig nebeneinander angeordneten Bandringen zusammengesetzt wird. Der gern kann auf diese Weise aus verhältnis mässig schmalen Bändern hergestellt werden.
Schmale Bänder können leichter als breite mit den für die angestrebte Wirkungsweise er forderlichen hochwertigen magnetischen Ei genschaften, nämlich grosser Permeabilität und scharfem Sättigungsknick, und mit der verlangten Gleichmässigkeit angefertigt wer den. Auch bei der thermischen Nachbehand lung kann eine gleichmässige Behandlung des Gefüges und damit der magnetischen Eigen schaften nur dann erreicht werden, wenn die Bandbreite ein, bestimmtes Mass nicht über schreitet. Dieses Mass liegt etwa bei 3 cm.
Die Herstellung des Magnetkernes aus mehreren Bandringün gestattet es ferner, dem Kernquerschnitt nach Wunsch eine beliebige von der Rechteckform abweichende Gestalt zu geben.
In den Fig. 13 und 14 ist ein zusammen- gesetzter Ringkern dargestellt, und zwar in Fig. 13 im Querschnitt, senkrecht zur Mittel achse gesehen, in Fig. 14 in Ansicht in Rich tung der Mittelachse in kleinerem Nassstabe. Der gern besteht aus sechs einzelnen Teilen 151 bis 156, deren jeder rechteckigen Quer schnitt hat.
Die Höhen la,, bis las und Brei ten b,. bis b6 der Einzelringe sind derart ab gestuft, dass der Gesamtkernquerschnitt eine Form hat, auf die eine Rundspulenwicklung bequem aufgebaut werden kann.
Zwischen den einzelnen Bandkernen wer den durch geeignete Abstandsstücke Schlitze für ein Kühlmittel freigelassen, um die Ab führung der im Ringkern auftretenden Ver luste zu erleichtern. Der gesamte Spulenkern erhält seinen mechanischen Halt durch einen um alle Teilkerne herumgehenden Wickel 160 aus Isolierstoff, insbesondere aus Papier, der zugleich die Wicklung gegen den Eisen kern isoliert.
Damit das Kühlmittel an das Kerneisen herangelangen, beziehungsweise in die Kühl schlitze zwischen den Teilringen hineinströ men und wieder austreten kann, hat. der Iso- lierwickel 160, wie aus Fig. 14 hervorgeht, an einzelnen Stellen Lücken. Soll der Mag netkern mit einer aus zwei parallelen Zwei gen bestehenden Wicklung, deren Anfang A und deren Ende E in Fig. 14 gestrichelt dargestellt sind, voll bewickelt werden, so liegen die erwähnten Lücken vorteilhaft am Umfan- um 180 versetzt in der Mitte eines jeden Wicklungszweiges (vergleiche Fig. 7).
Ordnet man die einzelnen Schaltdrosseln so an, dass ihre Achsen vertikal stehen, so muss ein Kühlmittel in horizontaler Richtung durch die Kühlschlitze strömen. Eine we sentliche Verbesserung der Kühlss-irkung kann erzielt werden, indem die einzelnen Spulen etwas geneigt aufgestellt werden, so dass zum Beispiel ihre Achse einen Winkel von 20 bis 30 mit der vertikalen Achse bil det. Die Stellen, an denen die Kernisolation 160 unterbrochen ist, werden hierbei an die tiefste bezw. höchste Stelle des Ringkerne gelegt.
Werden die Schaltdrosseln so ange ordnet, dass die Ringachse horizontal liegt, so ergeben sich für den Kern die besten Kühl verhältnisse, es können dann allerdings Schwierigkeiten in den Kühlverhältnissen der Wicklung durch den Höhenunterschied zwi schen dem am tiefsten und dem am höchsten gelegenen Wicklungsteil verursacht werden. Wird durch die natürliche Konvektion keine genügende Wärmeabfuhr erzielt, so kann das Kühlmittel künstlich in Strömung versetzt werden. Es kann ein flüssiges oder ein gas förmiges Kühlmittel verwendet werden. Die Schaltdrosseln können sich zum Beispiel mit samt ihrem Traggestell nach Art eines Trans formators in einem Kessel unter <B>01</B> befinden.
Fig. 15 zeigt eine Schaltdrossel im Schnitt, bei welcher die Erregerwicklung zur Vormagnetisierung des Eisenkernes stabför- mig in der Magnetkernachse angeordnet ist. In dieser Magnetkernachse, das heisst in de1 Mittellinie des freien Wicklungsfensters des Magnetkernes, ist das beispielsweise aus drei geraden Drähten oder Stäben bestehende Lei terbündel 6 angeordnet.
Durch die Anschluss- leitungen 60 sind diese zu einer Spule ver vollständigt und zu den Klemmen 61 geführt, mit denen die Spule an die Erregerstrom quelle (vergleiche Fig. 6) angeschlossen ist. Bei genügender Länge des Leiterbündels 6 hat diese Anordnung den Vorteil, dass die von der Vormagnetisierungswicklung erzeugte Feldstärke längs des Magnetkernes 5 prak tisch konstant ist und eine Streuung des In duktionsflusses in der Spulenumgebung ver mieden wird.
Da die in der Vormagnetisierungswick- lung induzierten Spannungen keine Strom änderungen verursachen sollen, ist der Vor magnetisierungskreis mit. Hilfe von Reak- tanzen stabilisiert. Die Grösse der induzier ten Spannung hängt von der an der Haupt wicklung auftretenden Spannung, welche die Grössenanordnung der Betriebsspannung zu erreichen pflegt, und vom Verhältnis der Windungszahlen der Hauptwicklung und der Vormagnetisierungswicklung ab.
Man muss also die Windungszahl der Vormagnetisie- rungswicklung klein halten, um mit ge ringem Isolationsaufwand auszukommen. Es ist daher vorteilhaft, nur eine Windung zu benutzen.
Diese Windung kann, wie Fig. 16 zeigt, als Mittelbolzen 61 ausgeführt sein, der zur Verspannung mehrerer Schaltdrosseln 51, 52, 53 auf einem Traggerüst benutzt werden kann. Die Spulen 51, 52 und 53 können zu verschiedenen Phasen gehören, sie können aber auch Teilspulen einer einzigen Phase sein. Das Traggerüst besteht aus einer Grundplatte 21 mit Füssen 22, mehreren Bal kenkreuzen 23 sowie Zwischenlagen 24. Der Spannbolzen 61 geht durch die Mitten der Balkenkreuze hindurch und ist an beiden En den mit Unterlegplatten und Muttern ver sehen. Die Anschlussleitungen 60 sind mit Hilfe von weiteren Muttern auf dem Spann bolzen befestigt.
Auch wenn nur eine einzige Schaltdrossel für sich allein aufgestellt ist, kann ein Mittelbolzen mit Vorteil zur te- festigung am Traggerüst und gleichzeitig zur Führung des Vormagnetisierungsstromes ver wendet werden.
Die Vormagnetisierungswicklung wird wegen der kleinen Windungszahl von einem verhältnismässig grossen Strom durchflossen. Die zur Überwindung der Ohmschen Wider stände erforderliche Spannung ist aber sehr klein. Anstatt die Vormagnetisierungswiek- lung aus dem Generator 13 oder aus einem Gleichstromnetz zu speisen, ist es ratsam, die Vormagnetisierungswicklung von einem be sonderen Gleichrichter kleinerer Spannung zu speisen, wie Fig. 17 zeigt.
Darin sind für jede der .drei Phasen drei hintereinanderge- schaltete Teildrosselspulen 41, 42, 43 bezw. 44, 45, 46 bezw. 47, 48, 49 vorgesehen, die jeweils durch einen Spannbolzen 61, 62, 63 zusammengehalten werden. Die drei Spann bolzen sind hintereinandergeschaltet, wobei sich die in ihnen induzierten Spannungen zum Teil gegenseitig aufheben.
Der Einfluss der verbleibenden Welligkeit der induzierten Gesamtspannung wird mit Hilfe der Stabili- sierungsdrosse116beseitigt, welche gleichzeitig zur Glättung des von dem Hilfsgleichrichter gelieferten Gleichstromes dient. Der Hilfs gleichrichter arbeitet mit Kontakteinrichtun gen, die mit den Hilfsschaltdrosseln 34 in Reihe geschaltet sind. Die Kontakteinrich tung wird synchron mit der Speisespannung des Hilfsgleichrichters angetrieben.
Wird der Hilfsgleichrichter .aus der Sekundärwick lung 72 eines Transformators gespeist, des sen Primärwicklung 71 an dem Drehstrom netz 10 liegt, aus dem auch der Transforma tor 11, 12 gespeist wird, so ist es zweck mässig, die Antriebswelle für die Kontakt einrichtung des Hilfsgleichrichters mit der Antriebswelle 8 zu kuppeln bezw. zu ver einigen; sie kann aber natürlich auch von einem besonderen kleinen Synchronmotor an getrieben werden.
Zur Regelung des :Stromes und der Span nung auf der Ausgangsseite des Hauptum formers durch Änderung der Vormagnetisie- rung kann, ein vorgeschalteter Regelwider- stand 44 verwendet werden. Statt dessen kann man zur Vermeidung von Regelver lusten die Gleichspannung im Vormagneti- sierungskreis entweder durch Phasenverschie bung des Antriebes der Hilfsgleichrichter kontakte oder durch eine weitere Vormagne- tisierungswicklung auf den Hilfsschaltdros- seln 34 oder durch eine Kombination der bei den Massnahmen regeln.
Sind die Kontakte des Hilfsgleichrichters mit denen des Haupt umformers, wie oben erwähnt, mechanisch ge kuppelt, so kann mit der Verstellung des ge meinsamen Antriebes allein gleichzeitig eine Phasenverschiebung der Hauptkontaktbewe- gung und die entsprechende Veränderung der Vormagnetisierung mittels Phasenverschie bung der Hilfskontaktbewegung erzielt werden.
Arrangement for closing and interrupting an alternating current circuit. The invention relates to an arrangement for closing and interrupting an alternating current circuit with switching chokes. The arrangement can be used both for individual circuits and for periodic circuits, for example for converting direct current into alternating current or vice versa, or from alternating current of a given frequency into alternating current of a different frequency. According to the invention, the magnetic core of the switching chokes consists of layers of iron strip wound flat on top of one another. In this way it is possible to improve the effect of the switching chokes in terms of facilitating the interruption of the current.
Fer ner, the cost of materials and the losses of the switching reactors can be reduced, since the lines of force within the iron core run in the direction of the tape, which is identical to the preferred magnetic direction.
An exemplary embodiment of the subject matter of the invention is shown in FIG. 6 of the drawing.
FIGS. 1 to 5 show various switching reactor cores.
7 to 14 show exemplary embodiments of the switching inductor windings, and FIGS. 15 to 17 show means for pre-magnetizing the switching inductor cores.
In Fig. 6 the circuit diagram of a device for converting a current is shown. The switching contacts 2 have to perform up to several million switching operations per day; sparking must therefore be suppressed. Switching throttles are therefore provided. The magnetic cores of these Schaltdros seln are denoted by 5. The windings 4 are located on them. These lie in series with the switching devices 2, which each consist of two stationary switching pieces and a movable switching bridge. The magnetic cores can consist of silicon iron or nickel iron, for example.
Your magnetization curve should be inclined as little as possible against the flux axis in the unsaturated part, have the sharpest possible saturation kink and be inclined as little as possible against the AW axis in the saturation area.
The number of turns of the windings 4 is advantageously dimensioned so that the magnetic cores 5 are unsaturated only with very small currents flowing through the windings 4 in the vicinity of the current zero passages, but see, for example, already saturating the operating current abruptly at the mean value of the normal flow through it.
Since the course of the current curve is flattened in the vicinity of the zero crossings and there is a practically currentless pause, during which the switching off of the alternating current can be made without switching fire occurs, in particular since a secondary current path 3 is connected in parallel to the isolating distance, one Contains a combination of capacitive and ohmic resistances. The movable switching bridges of the switching devices 2 are driven via intermediate tappets by an eccentric or camshaft 8 which is coupled to a synchronous motor 7.
The switching chokes are with. the secondary winding 12 of a three-phase transformer, the primary winding 11 of which is connected to the three-phase network 10. The drive motor 7 is also fed from the same secondary winding 12, so that the switching bridges respectively by the eccentrics offset by 120 o vonein other. Cams can be opened and closed alternately in time with the supply voltage.
The stator of the synchronous motor 7 is adjustable by means of the hand wheel 17 about the drive axis, so that the opening moment can be set to the desired time within the low-current pause caused by the switching throttles.
The magnetic cores 5 are each provided with an additional winding 6, by means of which they can be premagnetized from an additional power source, preferably with direct current, whereby the instantaneous value of the current at which saturation occurs is influenced. The pre-magnetization current is taken from a DC machine 13 which is also coupled to the shaft 8. The three exciter windings 6 are connected in series, and the choke coil 16 is also connected in series.
As a result, the pre-excitation circuit is kept free from harmonics of the current as far as possible. In addition, there is also a regulating resistor 14 in this circuit, with which the premagnetization can be changed.
The direct current network is denoted by 20; one pole of this network is connected to the interruption devices 2, while the other pole is routed via a smoothing choke 9 to the zero point of the secondary winding 12 of the supply transformer. The current converter can be operated in both directions. By adjusting the control resistor 14 or the handwheel 17, it is possible to adjust the electrical conditions caused by the switching throttle to the mechanical processes when switching the contacts and to regulate the current and voltage on the output side in a certain range.
If the switching reactors 4, 5 are large enough, the aforementioned combined control can be used to achieve a steady transition from one direction of operation to the other, that is, from rectifier to inverter operation and vice versa.
The magnetic core of the switching chokes can have the shape of a spiral wound th ring according to Fig. 1 and be seamless. If a certain diameter is not undershot, structural stresses, which could worsen the magnetic properties, are completely avoided. The smallest permissible curvature diameter is different depending on the strength of the band and the elastic limit of the type of iron used. It can easily be determined in each individual case by experiment.
Fig. 2 shows a spirally wound magnetic core in the shape of a rectangular frame. This shape offers the advantage that the winding can be easily accommodated.
It is advisable not to wind the magnetic core as tightly as possible, but rather loosely, so that structural stresses are avoided, which could otherwise arise, especially during post-heat treatment of the finished core. For the same reason, it should be avoided to stack several rings with intermediate layers made of iron plates in the annealing furnace. Instead, each ring should be annealed in a special pocket.
A further improvement in the magnetic properties of the finished coil core can be achieved by exposing it to a strong magnetic field during the aftertreatment, the lines of force of which run as they would later in operation.
3 shows a three-thread toroidal core, which consists of the individual strips 51, 52 and 53. For the sake of clarity, the band 51 is highlighted by a larger line width; it is designed as a cover layer and for this purpose has one more turn than the other two pieces of tape. If necessary, it can also be a little stronger to give the whole body a better cohesion.
According to FIG. 4, the magnetic core consists of individual pieces of tape 54-59. Each one of these six pieces of tape has double the length of the ring circumference. As a result of the large overlapping sections, the resistance that arises at the joints is negligibly small.
To make the structure more uniform, it is advisable to place the joints or to move the ends of the individual pieces of tape against each other at equal angular distances, as shown in Fig. 4 represents.
Fig. 5 shows a core that was created by the composition of several rings to small rer radial thickness, which are concentrically arranged radially one above the other. The inner ring is labeled 151, the outer ring 152. Each ring consists of a spiral wound band.
The rings can also be composed of several individual pieces according to the type shown in FIGS. 3 and 4. Between the two partial rings 151, 152 an intermediate air space is provided, which can be secured for example by spacers and serves to improve the cooling effect.
The winding of the switching chokes can consist of several parallel branches. To avoid an increase in resistance due to current displacement, it is advisable to connect a large number of winding branches made of relatively thin Lei tern in parallel. This has the further advantage that the winding space is well used at low voltages where insulation does not play a major role.
Even with current converters for high and extremely high voltages, it is advantageous to divide the winding into at least two parallel circuits in favor of good insulation.
If you were to wind the core progressively in the direction of the core axis, starting at one point on the toroidal core, the beginning and end of the winding would be, between which the full voltage can occur, which in the unsaturated state reaches the magnitude of the operating voltage lying close together. Then either the insulation would cause considerable difficulties at this point, or one would be forced to leave a gap in the ring winding between the beginning and the end. This would reduce the changing space.
In addition, such a non-uniform winding would also result in an undesirable increase in the air inductance of the switching reactor in the saturated state, which contradicts its purpose.
According to FIG. 7, the winding can be divided into two parallel branches, each of which fills one half of the ring and, starting from a common starting point A, is wound progressively in the same direction of winding in different directions. So the ends on the opposite side of the ring come together again to the common point E. The ring core is fully wound and the two points A and E, between which the total tension can occur, are far apart.
Similar advantageous winding arrangements can be achieved with each division into an even number of winding branches, for example four according to FIG. 8 or six according to FIG. 9, by arranging the winding branches in pairs so that the ends at the same potential are each two coils are immediately adjacent to each other.
Under the effect of the capacitance between the core and the insulated winding, the core assumes a mean potential between the electrical potentials of the Z-winding ends A and E. If the voltage is evenly distributed across the switching inductor, there is practically no voltage between the iron core and the center of the winding. You can therefore conductively connect the center of a partial winding or several partial windings with the iron core, as indicated in Fig. 7 to 9 at the points M.
These connections ensure that even if the voltage distribution is not uniform, as can occur when traveling waves occur, for example, there is no significant voltage between it and the core iron in the middle of the winding, so that weaker insulation at these points in favor of the mechanical assembly and assembly is permissible.
In addition, this means that the largest normal frequency voltage that can ever occur between the winding and the core during operation is not greater than half the brittle voltage. If a very high-quality iron type with a sharp bend in the magnetization characteristic is used for the core of the switching reactor , such as fifty percent carbonyl nickel iron or silicon iron with preferably three to four percent. H. silicon content, the voltage rise is very rapid because of the sharp bend in the magnetization line.
But now the winding has a certain self-capacitance, also a certain Kapazi ity against the core and against earth. As a first approximation, one can therefore assume an inductivity with a capacitor connected in parallel as a substitute circuit diagram for the real coil. The parallel capacitor delays the rise in voltage at the switching throttle in accordance with the slower charging of the capacitor. The capacitor makes the switching throttle ineffective at the first moment. This is followed by an almost undamped oscillation process caused by equalizing currents.
The frequency of this equalization process is higher and the oscillation decays faster, the smaller the parallel capacitance of the equivalent circuit is. The coils on the iron core are therefore advantageously built up in such a way that they have low intrinsic capacity and low capacity. own against the iron core.
In FIG. 10, the winding in the form of disc coils 41, 42, 43, etc. is applied to the annular iron core 5 of the switching inductor. This winding structure is also particularly advantageous for the reasons given above, because it enables good use of the annular space enclosed by the core while cooling the winding through spaces between the individual coils. The use of space is even better. if the disc coils are given a wedge-shaped cross-section, for example in accordance with FIG. 11, the layers closest to the iron core having a greater number of turns than the outermost layers of each partial coil.
In order to make the copper fill factor of the toroidal core opening as large as possible, disc coils with different numbers of layers and therefore different radial heights can also be arranged alternately next to one another. For example, according to FIG. 12, every second coil 241, 242, 243 etc. is designed with a lower radial winding height than the interposed coils 141, 142, 143 etc. It is of course also possible to select a three or more gradation of the successive disks .
Disc coils are particularly advantageous for current converters for high voltage, because everywhere between points between which there is a high potential gradient, insulating distances are maintained, and because the regular structure creates a clear field pattern in contrast to those windings in which the turns open the smaller inner circumference of the iron core and on the larger outer circumference of the iron core are equally tightly wound next to each other by arranging wires next to each other in the same winding layer to fill the gaps on the outside of the iron core,
which belong to different winding layers on the inside of the core. As a result of the clear structure of the disc coil winding, it is then possible to take special protective measures at particularly endangered points where points of different potentials come very close, for example by arranging intermediate layers of solid insulating material.
The capacity of the switching reactor can also be reduced by dividing it into several sub-coils each with its own iron core and connecting these sub-coils in series, as is shown in FIG. 16. The capacities of a coil are then connected in series, so that the resulting capacitance of the winding alone and the winding against the iron cores is very small for the entire switching reactor. All that remains is the capacitance of the coil against earth or against an oil boiler or a corresponding metallic housing.
The latter can be hezw by suitable dimensioning of the oil cone. Keep the housing small.
Switching chokes with large Kernquerschnit th for current converters for greater power can be produced in an advantageous manner that the is often composed of several coaxially arranged band rings next to each other. The like can be made in this way from relatively moderately narrow ribbons.
Narrow ribbons can be made more easily than broad ones with the high-quality magnetic properties required for the desired mode of operation, namely high permeability and sharp saturation kink, and with the required evenness. Even with thermal aftertreatment, a uniform treatment of the structure and thus the magnetic properties can only be achieved if the bandwidth does not exceed a certain level. This dimension is around 3 cm.
The production of the magnetic core from a plurality of band rings also allows the core cross-section to be given any shape other than a rectangular shape as desired.
13 and 14 show an assembled toroidal core, namely in FIG. 13 in cross section, seen perpendicular to the central axis, in FIG. 14 in a view in the direction of the central axis in a smaller wet bar. The like consists of six individual parts 151 to 156, each of which has a rectangular cross-section.
The heights la ,, to las and widths b ,. to b6 of the individual rings are graduated in such a way that the overall core cross-section has a shape on which a round coil winding can be easily built.
Between the individual tape cores who left open slots for a coolant by means of suitable spacers in order to facilitate the removal of the losses occurring in the toroidal core. The entire coil core is mechanically supported by a winding 160 made of insulating material, in particular made of paper, which extends around all the partial cores and which also insulates the winding from the iron core.
So that the coolant can reach the core iron or flow into the cooling slots between the partial rings and exit again. the insulating roll 160, as can be seen from FIG. 14, has gaps at individual points. If the magnetic core is to be fully wound with a winding consisting of two parallel pairs, the beginning A and the end E of which are shown in dashed lines in FIG. 14, the gaps mentioned are advantageously offset by 180 in the middle of each Winding branch (see Fig. 7).
If the individual switching chokes are arranged so that their axes are vertical, a coolant must flow in a horizontal direction through the cooling slots. A significant improvement in the cooling effect can be achieved by setting up the individual coils at a slight angle so that, for example, their axis forms an angle of 20 to 30 with the vertical axis. The points at which the core insulation 160 is interrupted are here to the deepest respectively. highest point of the toroid.
If the switching chokes are arranged in such a way that the ring axis is horizontal, the best cooling conditions result for the core, but difficulties in the cooling conditions of the winding can then be caused by the difference in height between the lowest and the highest winding part . If the natural convection does not achieve sufficient heat dissipation, the coolant can be artificially set in a flow. A liquid or a gaseous coolant can be used. The switching reactors can be located in a tank under <B> 01 </B>, for example, together with their support frame like a transformer.
15 shows a section of a switching inductor in which the field winding for premagnetization of the iron core is arranged in the shape of a rod in the magnet core axis. In this magnet core axis, that is to say in the center line of the free winding window of the magnet core, the conductor bundle 6, consisting for example of three straight wires or rods, is arranged.
The connection lines 60 complete them to form a coil and lead to the terminals 61, with which the coil is connected to the excitation current source (see FIG. 6). With a sufficient length of the conductor bundle 6, this arrangement has the advantage that the field strength generated by the bias winding is practically constant along the magnetic core 5 and a scattering of the induction flux in the coil environment is avoided.
Since the voltages induced in the bias winding should not cause any changes in the current, the bias circuit is also included. Stabilized by reactances. The size of the induced voltage depends on the voltage occurring on the main winding, which the order of magnitudes of the operating voltage tends to achieve, and on the ratio of the number of turns of the main winding and the bias winding.
So you have to keep the number of turns of the premagnetization winding small in order to get by with little insulation effort. It is therefore advantageous to use only one turn.
This winding can, as FIG. 16 shows, be designed as a central bolt 61 which can be used to brace a plurality of switching throttles 51, 52, 53 on a support frame. The coils 51, 52 and 53 can belong to different phases, but they can also be partial coils of a single phase. The support frame consists of a base plate 21 with feet 22, several cross bars 23 and intermediate layers 24. The clamping bolt 61 goes through the middle of the cross bars and is seen at both ends with shims and nuts ver. The connecting lines 60 are fastened to the clamping bolt with the aid of further nuts.
Even if only a single switching throttle is set up on its own, a central bolt can advantageously be used to fasten it to the supporting structure and at the same time to guide the bias current.
Because of the small number of turns, a relatively large current flows through the bias winding. The voltage required to overcome the ohmic resistance is very small. Instead of feeding the premagnetization voltage from the generator 13 or from a direct current network, it is advisable to feed the premagnetization winding from a special rectifier with a lower voltage, as FIG. 17 shows.
For each of the three phases there are three choke parts 41, 42, 43 and 43 connected in series. 44, 45, 46 and 47, 48, 49 are provided which are each held together by a clamping bolt 61, 62, 63. The three clamping bolts are connected one behind the other, whereby the stresses induced in them partially cancel each other out.
The influence of the remaining ripple of the induced total voltage is eliminated with the aid of the stabilization throttle 116, which simultaneously serves to smooth the direct current supplied by the auxiliary rectifier. The auxiliary rectifier works with Kontakteinrichtun conditions that are connected in series with the auxiliary switching reactors 34. The Kontakteinrich device is driven synchronously with the supply voltage of the auxiliary rectifier.
If the auxiliary rectifier is fed from the secondary winding 72 of a transformer, the primary winding 71 of which is connected to the three-phase network 10, from which the transformer 11, 12 is also fed, it is advisable to use the drive shaft for the contact device of the auxiliary rectifier to couple with the drive shaft 8 respectively. to agree; however, it can of course also be driven by a special small synchronous motor.
To regulate the: current and the voltage on the output side of the main converter by changing the premagnetization, an upstream control resistor 44 can be used. Instead, to avoid control losses, the DC voltage in the premagnetization circuit can be regulated either by phase shifting the drive of the auxiliary rectifier contacts or by a further pre-magnetization winding on the auxiliary switching reactors 34 or by a combination of the measures.
If the contacts of the auxiliary rectifier are mechanically coupled to those of the main converter, as mentioned above, a phase shift in the main contact movement and the corresponding change in the premagnetization by means of a phase shift in the auxiliary contact movement can be achieved by adjusting the common drive.